Como um transmissor DP mede o fluxo? Princípio, Fórmula e Guia Prático

A relação mais importante é:

ΔP ∝ Q², então Q ∝ √ΔP

Em outras palavras, a pressão diferencial muda aproximadamente com o quadrado do fluxo. Portanto, um transmissor DP mede primeiro a pressão; o fluxo é inferido a partir dessa diferença de pressão. Se você quiser uma introdução mais ampla ao instrumento em si, consulte esta visão geral dotransmissores de pressãoe issotransmissor de pressão diferencialpágina.

O que um transmissor DP realmente mede?

Um transmissor DP tem um lado de alta-pressão e um lado de baixa-pressão. Ele mede a diferença entre essas duas pressões:

ΔP = P1 − P2

Se o transmissor estiver conectado através de um elemento de fluxo primário adequadamente projetado, a pressão diferencial medida terá uma relação conhecida com o fluxo.

Esta distinção é importante porque o transmissor sozinho não cria uma medição de vazão. Um sistema de fluxo DP completo normalmente inclui:

• um elemento primário que cria a pressão diferencial;
• torneiras de pressão que detectam a pressão a montante e a jusante;
• linhas de impulso ou um arranjo de montagem-direta que transfere essas pressões para o transmissor;
• um transmissor DP que mede a diferença de pressão; e
• um transmissor, PLC, DCS ou computador de fluxo que converte DP na variável de fluxo necessária.

A relação mais ampla entre pressão e fluxo é discutida neste guia para orelação de-vazão e pressão.

Como funciona a medição de fluxo DP passo a passo

1. O elemento primário altera a área de fluxo

Considere uma placa de orifício convencional. Seu furo é menor que o diâmetro do tubo, portanto a área de fluxo disponível diminui à medida que o fluido passa pela restrição.

O mesmo princípio geral de medição pode ser implementado com outros elementos primários. A geometria difere, mas cada dispositivo é projetado para produzir uma diferença de pressão que pode ser relacionada ao fluxo sob condições específicas.

2. Aumentos na velocidade do fluido e quedas na pressão estática

À medida que o fluido acelera através da área restrita, sua velocidade aumenta e sua pressão estática diminui. A pressão a montante da restrição é, portanto, superior à pressão no ponto de derivação a jusante apropriado.

Esta é a pressão diferencial medida pelo transmissor.

3. O transmissor mede a pressão lateral alta-e a pressão lateral-baixa

A derivação a montante é normalmente conectada à porta de alta-pressão e a derivação a jusante à porta de baixa-pressão. O transmissor detecta a diferença em vez de tratar as duas pressões como medições de vazão independentes.

À medida que o fluxo aumenta, a restrição produz uma pressão diferencial maior. A relação, no entanto, não é linear.

4. A pressão diferencial é convertida em fluxo

Para medição de fluxo de pressão-diferencial convencional:

ΔP ∝ Q²

Portanto:

Q ∝ √ΔP

O cálculo da raiz-quadrada pode ser realizado dentro do transmissor ou no DCS, PLC ou computador de fluxo. A orientação técnica da Yokogawa sobreextração de-raiz quadrada em aplicativos de fluxo DPobserva que qualquer um dos locais pode ser usado, mas o ponto de cálculo deve ser claramente definido.

Por que a relação raiz-quadrada é importante

É fácil assumir que 50% de pressão diferencial significa 50% de vazão. Isso é incorreto para uma relação de fluxo DP convencional.

Se o DP medido for 25% do DP de projeto, a vazão correspondente será aproximadamente 50% da vazão de projeto, assumindo que as outras variáveis ​​no cálculo permaneçam inalteradas.

Esta relação também explica por que o limite inferior de uma faixa de vazão DP merece atenção. Com vazão de 25%, o transmissor já está medindo apenas 6,25% do DP-em escala total. À medida que o fluxo se aproxima de zero, o ruído de pressão, o deslocamento de zero, as pequenas flutuações do processo e os efeitos da linha-de impulso tornam-se cada vez mais significativos em relação ao sinal medido.

O corte-de fluxo baixo não é apenas uma configuração de exibição

A extração-de raiz quadrada tem alto ganho próximo à pressão diferencial zero. Pequenas flutuações de DP podem, portanto, criar um fluxo calculado visivelmente instável. Yokogawa descreve esse comportamento em suas orientações sobresaída-de corte baixo para fluxo DP, enquanto a Emerson também recomenda um corte-de fluxo baixo em configurações de transmissor relevantes para estabilizar a saída sob condições de-fluxo muito baixo ou nenhum.

Um ponto de corte não deve ser escolhido arbitrariamente. Ele deve refletir o transmissor, o elemento primário, o ruído do processo, a faixa operacional necessária e a necessidade da aplicação de distinguir o fluxo baixo genuíno do ruído-de fluxo zero.

Qual é a fórmula do fluxo DP?

Uma expressão conceitual útil é:

Q = K × √(ΔP / ρ)

onde:

• Qé a vazão volumétrica;
• ΔPé a pressão diferencial;
• ρé a densidade do fluido; e
• Krepresenta as características relevantes do elemento primário e do cálculo.

Esta é uma relação conceitual, não uma equação de dimensionamento universal.

Cálculos reais de fluxo de pressão-diferencial também podem envolver a geometria-do elemento primário, diâmetro do furo, diâmetro do tubo, razão de diâmetro, coeficiente de descarga, número de Reynolds, arranjo de tomada de pressão e, para fluidos compressíveis, um fator de expansibilidade.

O oficialISO 5167-1:2022A norma define princípios gerais para medição de vazão com dispositivos-diferenciais de pressão, incluindo placas de orifício, bicos, tubos Venturi, medidores cônicos e medidores de cunha. Também define requisitos de instalação e incerteza. Seu escopo declarado se aplica a um conduíte completo, fluxo subsônico através da seção de medição, fluido que pode ser tratado como monofásico e fluxo não{3}}pulsante.

Especificamente para placas de orifício,ISO 5167-2:2022aborda geometria, instalação, condições operacionais e arranjos específicos de tomada de-pressão.

Um exemplo simples de DP-para{1}}fluxo

Suponha que um sistema seja projetado de modo que a vazão máxima necessária corresponda a uma pressão diferencial de 100 unidades de pressão. O transmissor está medindo atualmente 36 unidades de pressão.

O DP normalizado é:

36 / 100 = 0.36

O fluxo normalizado é:

√0.36 = 0.60

A vazão indicada é, portanto, aproximadamente 60% da vazão máxima configurada, desde que o fluido e as condições operacionais assumidas permaneçam válidos.

Este exemplo demonstra apenas a conversão de raiz-quadrada. Ele não substitui o dimensionamento do-elemento primário ou um cálculo de fluxo-compatível com o padrão.

Qual elemento primário deve ser usado?

O transmissor mede DP, mas o elemento primário determina como esse DP é gerado. A escolha do elemento primário faz, portanto, parte do projeto do medidor de vazão, e não uma reflexão tardia separada.

Um Venturi pode ser atraente quando a perda permanente de pressão é importante. Para obter mais detalhes sobre essa opção, consulte o guia paraVantagens e desvantagens do medidor de vazão Venturi. As instalações existentes do Venturi também podem desenvolver problemas específicos-de aplicativos, abordados nesta visão geral doProblemas e soluções do medidor Venturi.

O melhor elemento primário depende das propriedades do fluido, tamanho do tubo, faixa de vazão, pressão, temperatura, perda de pressão permanente permitida, espaço de instalação, condições de manutenção e padrão de medição aplicável.

Como líquidos, gases e vapor alteram a medição

Líquidos

Para líquidos de densidade-relativamente estáveis, a relação DP-para-fluxo pode ser comparativamente direta. A instalação continua importante, no entanto. Gás preso em uma linha de impulso, tomadas de pressão parcialmente bloqueadas, vazamento ou desequilíbrio de elevação podem introduzir uma pressão diferencial falsa.

O fluido também deve corresponder às suposições usadas quando o elemento primário foi dimensionado. Uma mudança significativa na densidade altera a relação entre o DP medido e o fluxo calculado.

Gases

A densidade do gás pode mudar significativamente com a pressão e temperatura operacional. Portanto, um determinado DP nem sempre representa o mesmo fluxo de massa quando as condições do gás mudam.

As aplicações que exigem fluxo compensado podem usar pressão diferencial junto com pressão estática, temperatura e informações de propriedade-do fluido. A distinção entre medição volumétrica e de massa é discutida mais adiante nesteguia de fluxo de massa versus fluxo de volume.

Se a medição direta da massa de gás for mais apropriada do que um sistema DP, ummedidor de fluxo de massa de gáspode valer a pena comparar para aplicações adequadas.

Vapor

As instalações Steam DP requerem atenção especial à tubulação de impulso e às condições de condensado. Cabeças líquidas desiguais nos lados superior e inferior podem criar uma pressão diferencial artificial que o transmissor não consegue distinguir do DP do processo.

A densidade também muda com as condições do vapor, portanto o fluxo de massa compensado pode exigir informações de pressão e temperatura. Quando um princípio de medição diferente estiver sendo considerado, ummedidor de fluxo de vaporbaseado na medição de vórtice fornece um ponto útil de comparação.

Onde a raiz quadrada deve ser calculada?

A conversão de raiz-quadrada pode ser realizada em vários locais:

• dentro do transmissor DP;
• em um PLC ou DCS; ou
• dentro de um computador de fluxo dedicado.

Não há benefício em aplicá-lo duas vezes. Se um transmissor já envia uma saída proporcional à vazão e o sistema de controle aplica outra função de raiz-quadrada, o valor final estará incorreto.

O erro oposto também ocorre: um transmissor envia DP linear enquanto o sistema receptor trata esse sinal como fluxo linear.

Durante o comissionamento, documente se cada variável transmitida representa pressão diferencial bruta ou vazão calculada. EmersonDocumentação de configuração de fluxo 4051Sfornece um exemplo de conversão de raiz quadrada-baseada em transmissor e configuração de corte-de fluxo baixo.

Calibração não é o mesmo que verificar a precisão do fluxo

Esta distinção é uma das mais importantes em um circuito de fluxo DP.

Um técnico pode aplicar pressões diferenciais conhecidas e confirmar se o transmissor as mede corretamente. Isso verifica a medição da pressão. Isso não prova que o sistema completo instalado esteja calculando a vazão correta.

Uma verificação completa deve considerar:

• tipo de elemento-principal e dados de dimensionamento;
• dimensões corretas do furo e do tubo;
• disposição da torneira-de pressão;
• condição da linha-de impulso;
• zero do transmissor e faixa DP;
• configuração de raiz-quadrada;
• Dimensionamento DCS ou PLC;
• densidade de fluido e entradas de compensação;
• unidades de engenharia; e
• as condições da tubulação instalada ao redor do elemento primário.

As práticas gerais de calibração são abordadas nestesMelhores práticas de calibração de medidor de vazão. Para cuidados rotineiros com instrumentos, as orientações do site sobremanutenção de transmissor de pressãofornece contexto de manutenção adicional.

Por que um transmissor DP preciso ainda pode fornecer o fluxo errado

A precisão do transmissor é apenas uma parte do desempenho-do sistema de fluxo. O fluxo final calculado também depende da qualidade dos dados do-elemento primário, das suposições de propriedade-do processo, da instalação e da configuração do sinal.

Por exemplo, um transmissor calibrado com precisão ainda reportará fluxo enganoso se uma linha de impulso estiver parcialmente bloqueada. Da mesma forma, a medição perfeita de DP não pode corrigir o tamanho do furo do elemento-primário ou a densidade do fluido inseridos incorretamente.

É por isso que uma especificação de transmissor não deve ser tratada como a especificação de precisão do sistema de fluxo DP completo. A ISO 5167 inclui explicitamente a determinação da incerteza de medição como parte do método de medição mais amplo, em vez de tratar o sensor de pressão como a única fonte de incerteza.

Problemas comuns de fluxo DP e o que verificar primeiro

As falhas na linha-de impulso merecem atenção especial porque o transmissor conhece apenas as pressões fornecidas às suas portas. Ele não pode saber automaticamente se uma linha de pressão está vazando ou obstruída, a menos que o transmissor específico inclua diagnósticos adequados.

Quando a medição de vazão DP é uma boa escolha?

A medição de DP permanece prática para muitos serviços industriais de líquidos, gás e vapor, especialmente onde o processo já utiliza elementos primários padronizados e o pessoal da planta está familiarizado com a instrumentação de pressão.

Não é automaticamente a melhor tecnologia para todos os serviços. Compare alternativas quando a aplicação dá alta prioridade à perda de pressão permanente muito baixa, medição direta de massa, líquidos condutores difíceis, medição não-intrusiva ou uma faixa útil mais ampla do que o sistema DP proposto pode oferecer.

Pontos de comparação úteis incluemmedidores de fluxo de vórticepara serviços adequados de vapor e{0}}fluidos de processo,medidores de fluxo de massa térmicapara gases apropriados, emedidores de fluxo eletromagnéticospara líquidos condutores.

A escolha deve começar com as condições do processo e o objetivo da medição, e não com uma tecnologia de transmissor preferida.

Perguntas frequentes

Um transmissor DP mede a vazão diretamente?

Não. Ele mede diretamente a pressão diferencial. A vazão é inferida a partir do DP produzido por um elemento primário e dos parâmetros de cálculo utilizados pelo sistema de medição.

Por que a raiz quadrada de DP é usada para fluxo?

Porque a pressão diferencial através de um elemento primário convencional muda aproximadamente com o quadrado da vazão. Se ΔP é proporcional a Q², então Q é proporcional a √ΔP.

50% DP é igual a 50% de fluxo?

Não. No relacionamento básico-de raiz quadrada, 25% do DP do projeto corresponde a aproximadamente 50% do fluxo do projeto. Por outro lado, 50% de DP corresponde a cerca de 70,7% de fluxo.

Um transmissor DP pode medir líquidos e gases?

Sim, desde que o elemento-principal completo e o sistema transmissor sejam adequados para a aplicação. A medição de gases geralmente requer atenção adicional à pressão, temperatura, densidade e compressibilidade.

Um transmissor DP pode ser usado sem placa de orifício?

Sim. As placas de orifício são apenas um tipo de elemento primário. Tubos Venturi, bicos, medidores de cone, medidores de cunha, dispositivos de pressão média e outros elementos de produção de DP-adequados também podem ser usados ​​dependendo do projeto.

A extração-de raiz quadrada deve ser feita no transmissor ou no DCS?

Qualquer um pode ser válido. O que importa é que o local do cálculo seja documentado e que a extração da raiz-quadrada seja realizada uma vez, não tanto no sistema transmissor quanto no sistema receptor.

Por que um sinal de fluxo DP se torna instável em fluxo baixo?

Porque a pressão diferencial gerada torna-se muito pequena e a extração de raiz quadrada tem alto ganho próximo de zero. Ruído do processo, pequenas flutuações de DP e erros zero podem, portanto, criar alterações relativamente grandes no fluxo calculado.

A precisão do transmissor é igual à precisão do fluxo?

Não. A incerteza da medição de vazão também pode incluir o elemento primário, dimensões, características de descarga, densidade do processo, entradas de pressão e temperatura, instalação, tomadas de pressão, linhas de impulso e configuração de cálculo.

Conclusão

Um transmissor DP mede o fluxo detectando a diferença de pressão produzida em um elemento de fluxo primário e convertendo essa medição em fluxo por meio de uma relação de raiz-quadrada.

A cadeia de medição essencial é:

Fluxo → elemento primário → pressão diferencial → transmissor DP → cálculo de vazão

O transmissor é apenas uma parte dessa cadeia. A medição confiável da vazão DP depende do dimensionamento correto do-elemento primário, da tomada de pressão apropriada, da tubulação de impulso sonoro, das suposições precisas das propriedades-do processo, da configuração correta da raiz-quadrada e do comissionamento adequado.

Para trabalhos de engenharia, use a relação de raiz quadrada simplificada para entender o princípio, mas use o padrão aplicável, os dados de dimensionamento aprovados, a documentação do transmissor e as condições reais do processo ao projetar ou verificar um circuito de medição. Essa distinção entre compreender o princípio e validar o sistema completo é o que impede que um sinal DP aparentemente correto se torne um valor de vazão incorreto.